蛋白质组学分析揭示根系低高氮适应机理
Adaptation Mechanism of Roots to Low and High Nitrogen Revealed by Proteomic Analysis
发表期刊：Rice
影响因子：4.783
发表单位：沈阳农业大学
发表时间：2021.01.07
研究手段：植物形态学观察，TMT，qPCR
研究背景：以氮为基础的营养物质是影响水稻生长和发育的主要因素。根系对植物从土壤中获得养分起到重要作用。根系的形态和生理特征往往与地上植物器官的表现密切相关。因此，了解氮（N）对水稻根系生长的调节作用对提高氮的利用效率非常重要。
研究手段：
1、将种子在低N（13.33ppm）、正常N（40ppm）和高N（120ppm）条件下培养，30天后测定根的长度、细胞大小和数量。
2、将不同N浓度条件下的植物根系的蛋白质提取，酶解，进行TMT标记后，上HPLC-MS进行肽段分析。将质谱原始数据Mascot Distiller处理后，用Proteome Discoverer转为成为MGF文件，用Mascot进行搜库。
3、Mascot搜索结果使用中位数进行平均并进行量化。变化倍数>1.2和t-test p<0.05作为阈值来识别有显著差异的蛋白。差异蛋白质用GO和KEGG进行功能分析。
研究结论：
1、不同N条件下的水稻根部形态学变化
与正常氮条件相比，低氮条件下根系生长得到促进，高氮条件下根系生长受到抑制。这可能是细胞分裂和细胞扩张不一样导致的。
2、不同N处理的稻根部蛋白质组学结果
为了深入探索不同N条件下的水稻根系形态和功能变化的分子机制，对水稻进行了蛋白质组学鉴定。结果表明，与正常N条件相比，在低N和高N条件下，共鉴定出291个和211个丰度差异蛋白质(DAPs)。其中，在低N和高N条件下35个蛋白质均鉴定为DAPs（图1A）。随机选取9个DAPs进行qPCR验证，发现qPCR与TMT定量之间有较高的相关性（图1B）。
图 1
为了深入了解DAPs的生理学功能和所涉及的代谢过程，进行了GO和KEGG分析。对低N和高N所鉴别的所有DAPs分析表明，与碳代谢、氮代谢、氨基酸代谢、应激和防御相关代谢以及蛋白质合成过程显著富集（图2A），对低N和高N共有的DAPs分析表明，咖啡因代谢、苯丙氨酸代谢和嘌呤代谢（尿囊素代谢）是三大富集途径（图2B）
图 2
为了进一步研究DAPs的行为，对DAPs的功能进行了划分。由图3知，与正常氮条件相比，氮转运蛋白NRT2.3、NPF2.11和AMT1.3在低N条件下丰度增加，而AMT1.3在高氮条件下丰度降低。谷氨酰胺合成酶(GS)是氮同化过程中的关键酶，GLN1.1、GLN1.2和GLN1.3是GS的三个成员，结果显示低N条件下GLN1.1的丰度增加。GDH2在高氮条件下表现出丰度的增加,表明低N促进了尿素的分解，而高N促进了尿素的合成。由图4知，应激和防御相关蛋白在低N和高N的情况下丰度增加，5种钙调素相关蛋白在高氮条件下表现出的丰度增加。以上结果表明。低N条件下蛋白质变化的目的是为了促进氮的吸收，而高N情况下则通过增加钙调素和GDH2的丰度来适应高N胁迫。低N和高N都能诱导抗氧化相关蛋白的表达来适应胁迫。
图3 氮代谢蛋白的差异（红色表示丰度高，绿色表示丰度低，从左到右：低N，正常N和高N）
图4 应激和防御蛋白的差异（红色表示丰度高，绿色表示丰度低，从左到右：低N，正常N和高N）
根尖细胞的数量和大小也受到低和高n调控。由图5知，低N条件下几种细胞生长/分裂相关蛋白的丰度增加，而在高N下减少。通过协调这些参与细胞结构、细胞壁修饰和细胞分裂的相关蛋白，可以实现水稻根系形态对氮利用率的响应。由图6知，在蛋白合成相关蛋白中，低氮条件促进蛋白质合成，高氮条件抑制蛋白质合成，而蛋白质合成是生长控制响应环境变化的主要靶点之一。图7可知，在低氮条件下，参与苯丙素生物合成的主要酶PAL、4CL3、CCR1和CYP93A2的丰度增加。在高氮条件下，参与苯丙素生物合成的主要酶ZB8、PAL、CCR1和CYP84A1的丰度下降。低N条件下木质素下降，推测原因可能是根系生长过快。这些结果表明，参与细胞分化、木质素合成和根系新生蛋白合成的差异丰富蛋白是三种氮处理中导致根系形态变化的重要因素。
图5 细胞结构相关蛋白的差异（红色表示丰度高，绿色表示丰度低，从左到右低N，正常N和高N）
图6 与蛋白质稳态的相关蛋白的差异（红色表示丰度高，绿色表示丰度低，从左到右低N，正常N和高N）
图8 苯丙素的生物合成（红色表示丰度高，绿色表示丰度低，从左到右低N，正常N和高N）
研究结论：水稻根系对低N和高N的适应能力存在明显差异；氮可能通过调节细胞发育、苯丙素生物合成和蛋白质合成等生物过程来影响根系的生长。结果提供了关于水稻根系对氮供应反应的全球变化的见解，并可能促进通过基于根系的遗传改良开发出具有高氮利用效率的水稻栽培品种。
文章链接：https://thericejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s12284-020-00443-y
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